トップガス回収タービンユニットの改造

内容 リスト

1. TRTユニットの概要

2. TRTユニットの現在の運用分析

3. TRTフローパスの最適化と変換のための先進技術と設計方法

4. TRTフローパスの最適化結果

5. オンライン高炉ガスタービンのエネルギー効率および寿命分析管理インテリジェンスシステム

6. TRTフローパスの最適化と変換範囲および標準への適合

6.1. TRTフローパス変換は標準に従う

6.2. TRTフローパス変換および供給範囲

7. TRT変換作業プロセスとサイクル

8. 葉の寿命を延ばすための措置とそのメリット

9. 品質保証および性能適合保証

10. アフターサービス

10.1. TRT変換現場サービス

10.2. 長期的なTRTメンテナンスサービス

10.3. ブレードなどの部品の長期供給

11. 関連付録

1. TRTユニット概要

* * * * * * * * * * * 会社（以下「* * * * * * スチール」という）の1250m3高炉は乾式バッグ式集塵装置を採用しており、それに組み合わされた高炉ガスタービンTRTは高炉頂上ガスの残圧を利用して発電し、企業に大きな経済的利益をもたらしています。

TRTユニットは、三井とスルザーの技術を導入した西安山鼓動力有限公司によって設計・製造されました。モデル番号はMPG9.2-280.6/180です。先進国の最も進んだTRT技術と比較すると、国内のTRTユニットの性能指数にはまだ大きな差があります。これは流路効率に反映されており、国内のユニットは依然として65％～75％の範囲内に留まっており、国際的な最先端レベルの84～92％よりも著しく低いです。従って、運転中のTRTユニットの流路を最適化する必要があります。

私たちはドイツと日本の最先端のTRTタービン流路設計技術を吸収し、それを中国で現在稼働中のTRT装置に適用しています。これにより、TRT効率が大幅に向上します。つまり、現状のガス流量、圧力、温度および成分パラメータのもとで、ユニットの発電量は10％～20％増加し、より多くの経済的便益をもたらし、エネルギー節約と排出削減に貢献します。

プロジェクト	ユニット	運転点
		設計点	最大点
局地大気圧	KPa(A)	100
タービン速度	r/min	3000
タービン入口ガス流量	10,000 Nm3/h	245000	270000
タービン入口ガス圧力	KPa(G)	180	200
タービン入口ガス温度	°C	180	230
タービン出口におけるガス圧力	KPa(G)	10	10
タービンシリーズ	-	2	2
タービン出力	KW	7230	9200
表1 TRT元の設計パラメータ

2.現在のTRTユニットの運転状況分析

歴史的な運転記録によると、ある日のユニットの運転状況の分析（図1参照）では、入口流量の変動に伴い、ユニットの実際の運転効率値は60〜75%の間であることが示されています。

図1 ある日のTRTユニットの運転状態（効率と入口流量）

図2 ある日のTRTユニットの運転状態記録

このタイプのユニットの運転点における流量の分析は以下の通りです：

図3 このタイプのユニットの通過流れ修正前のマッハ数分布

図4 このタイプのユニットの通過流れ修正前の速度分布

三次元CFD流れ場の解析により、このタイプのユニットにおける静翼および動翼の空力設計は比較的遅れており、気流分布に多くの問題が存在することがわかります。速度分布や角度分布の不合理さ、分離流れや後退プロファイルなどが挙げられます。図4に示すように、第2段ローターブレードの停滞点は先端からずれ、圧力面の前端に位置しており、明らかな衝撃角損失が発生しています。吸込面の高速領域は流れ損失を増加させています。第1段および第2段ローターブレードの吸込面では、明らかな流れ分離現象が見られ、渦損失や不安定な内部流れ場が引き起こされています。これらすべてが低い流れ効率につながっており、流れ路の最適化が必要です。

3. TRT流れ路の最適化と再構築のための最先端技術および設計手法

4. TRT流れ路の最適化結果

流れの最適化設計は、前述の解析と設計プロセスに従います。まず、現在のユニットに対してマクロ（一次元、二次元）およびミクロ（三次元CFD）計算と評価を行い、現在のユニット設計における空力問題を分析します。その後、先進的な反応型タービンの空力設計概念と組み合わせて、流れ路の配置（一次元）、渦制御流れパターン（二次元）、ブレード形状および段階的なマッチングを段階的に深化させ、最適化し、最終的に信頼性のある空力設計案が形成されます。

図5 元の子午断面流れ設計

• 子午断面の高さと角度設計；

• -軸方向速度分布の最適化； -最適なブレードアスペクト比； -ギャップ損失の低減；

• ブレード間隔の最適化：

• -二次流損失と目覚め損失の低減；

• 径方向渦制御の再設計；

図6 一次元および二次元設計による最適化後の子午断面流れ設計とブレード配置

一次元および二次元設計を通じて、より合理的な子午線平面流れ路設計が得られ、これにより空気の流れ分布がより均一になり、全段階でのエンタルピー降下分布と反応度の設定が合理性を帯びます。翼のアスペクト比、相対ピッチなどの空力に影響を与える重要な幾何学的パラメータは最適な範囲内にあり、先進的なプロファイル技術や渦制御技術を組み合わせることで、元の空力設計における多くの問題を克服できます。

上述の最適化手法および方法を使用して、以下の三次元

流れ場結果が同じ入口パラメータの下で得られました

図7 同種のユニットにおける流れ最適化後のマッハ数分布

上記の図からわかるように、最適化後は衝突角度損失が明らかに減少し、停滞点位置のオフセットが修正されました。ロータブレードでは流れの分離がなくなり、2段目のスタターブレードでの流れ分布も改善されています。全体的に見て、最適化された設計は、軸方向および半径方向において流れ場分布をより均一かつ合理的にし、流体の分離、二次流れ損失、衝突角度損失および排気損失を低減し、全体効率を大幅に向上させています。

最適化された2段目のブレードは純粋な反応型で設計されており、負荷係数と反応度のマッチングが理想的な値に近く、残留速度損失を大幅に低減し、排気拡散管の効率を向上させています。

図8 同タイプユニットの流れ最適化後の速度分布

プロジェクト	ユニット	運転点
局地大気圧	KPa(A)	101.325
タービン速度	r/min	3000
タービン入口ガス流量	10,000 Nm3/h	24.5
タービン入口ガス圧力	KPa(G)	180
タービン入口ガス温度	°C	180
タービン出口におけるガス圧力	KPa(G)	10
タービンシリーズ	-	2
タービン流れ効率	%	86.0
タービン出力	KW	8122
表3 TRT流れ最適化結果

上記からわかる通り、最適化後、流路の内部効率は86.0%に達し、10%以上増加しました。同じ入口条件（流量、圧力、温度、組成など）の場合、出力は892kW増加し、設計値7230kWと比較されます。工業用平均電気料金が1キロワット時あたり0.65元、年間利用時間が8000時間の場合、年間発電量は731.6万キロワット時増加し、発電による利益は463.8万元となります。

変動運転条件（部分負荷およびピーク負荷）におけるTRTユニットの性能は大幅に向上し、効率曲線はより広い変動負荷範囲で元のものと比較して比較的平坦になり、全体としてTRTユニットが最適な高効率運転状態にあります。

TRTブレードの耐用年数が延び、大規模修理の間隔が延び、修理作業量が減少します。

ユニットの大型ブレード振動、高い推力タイル温度などの問題が解決され、ユニットの安全性と使いやすさが向上しました。

5.高炉タービンのオンラインエネルギー効率および寿命解析のためのインテリジェントマネジメントシステム

このソリューションには、「オンラインエネルギー効率と高炉ガスタービンの寿命管理のためのインテリジェントシステム」（TELM+システム）が含まれています。このシステムは、ガスタービンのエネルギー効率指数をオンラインでリアルタイムに分析するだけでなく、大量の運転データを生成します。システムのインテリジェントアルゴリズムとその独自のエキスパートシステムを通じて、ユニットがより高い効率の領域で運転できるよう、運転最適化提案を行います。一方、ブレードの埃の付着やブレードの侵食欠損タイプについては、組み込まれたインテリジェント予測モジュールを通じて、人工知能によってブレードの埃付着度や欠損タイプが示され、対応策を講じるための科学的な判断基準を提供します。

システムは機械学習の機能を持っています。運転データの蓄積に伴い、システムが自動生成するエネルギー効率分析と寿命予測レポートがより正確になり、これは運転と保守を大幅に容易にし、高炉ガスタービンの運転をより効率的かつ健全にし、運転率を向上させ、計画外のダウンタイムを削減します。

6. TRT流れ路最適化改造範囲および適合基準

6.1 TRT流れ路変換に従う基準

GBT 28246-2012 「高炉ガスエネルギー回収タービン膨張機」

GBT 26137-2010 「高炉ガスエネルギー回収タービン膨張機の熱性能試験」

JB/T4365 「潤滑、シールおよび調整油システム」

JB/T9631 「蒸気タービン用鋳鉄部品の技術条件」

JB/T9637 「タービン組立の技術条件」

GB/T7064 「タービン型同期モーターの技術要求」

GB6222 「国家ガス安全規程」

YBJ207「冶金機械設備インストール工事施工及び検収規範」油圧、気圧および潤滑システム。

上記作業は、最新の国家标准、国家技術標準および業界標準を実施します。

6.2TRT流量変換と供給範囲

ユーザーのTRTユニットモデルおよび運転開始以来の実際の状況に基づき、流れ路の最適化および変換には次のものが含まれます：

a). 2段すべての静止羽根を交換する；

定子羽根設計では特に入口縁Rに対して複数回の計算を行い、入口攻角の広い変動範囲に適合し、設計点前後で広範な動作条件において高効率を確保します。

b). 軸受シリンダーを交換する；

シリンダベアリングの材質はQT400-15Aで、中心位置は構造的に調整可能であり、製造誤差を補正し、外殻の中心とロータの中心の一致を確保し、ブレードとシリンダ壁間のクリアランスが小さく均一であることを保証し、信頼性と効率を向上させます。

c). 2段のすべての可動羽根を交換する；

羽根は優れた空力性能を持ち、集塵や詰まりがない特徴があります。構造は強度と振動の要件を満たすように保証されています。ロータ羽根は高強度で耐高温のステンレス鋼で作られています。テンオンは fatigue life を確保するために高強度のfir-tree型を採用しています。すべての可動羽根は周波数テストが行われ、メンテナンス時の参考のために記録されます。

d). ロータ（主軸）を交換する；

メインシャフトは、高強度合金鋼25CrNiMoVの一貫鍛造を採用し、材料の結晶構造、物理的および機械的特性がTRT運転の要件を完全に満たすようにし、ローターには動バランス試験が行われます。

e). 動翼および静翼のシール;

コンピュータソフトウェアを使用して作業環境をシミュレートし、必要な状態におけるブレードの歪みと変位を厳密に計算し、チップクリアランスとルートクリアランスを最適化し、空気漏れ損失を低減し、流れ効率を向上させます。

シリアル番号	名前	型式／仕様	数量／単位	備考
1	第1段ステータ	材質 17-4PH	1セット
2	第1段ロータ	材質 2Cr13	1セット
3	第2段ステータ	材質 2Cr13	1セット
4	二次ロータ	材質 2Cr13	1セット
5	ロータ軸	25CrNiMoV	1セット	軸端シール
6	ベアリング筒（上下）および付属品ガイドリング	QT400-15A	1セット	駆動付属品を含む
7	BPRT／TRT オンラインエネルギー効率解析および寿命管理インテリジェントシステム	TELM+システム	1セット	ホストコンピュータ、ディスプレイ
MPG9.2-280.6/180 TRTユニット流量最適化変換供給範囲

7.TRT変換ワークフローとサイクル

ユーザーとのTRT最適化改造契約締結後6か月以内にすべての改造工事を完了し、実際にTRTの運転に影響を与える現場での改造および設置作業は通常10日を超えないものとする。

8.ブレード寿命延長の措置と利益

高ダスト含有量でブレード寿命が短いTRTユニット使用者において、ブレード材質をアップグレード（17-4PH）し、表面にセラミックコーティングを噴霧することで、ブレード寿命を大幅に延長できる（耐用年数が2倍以上になる）、メンテナンスサイクル間隔を延ばし、メンテナンス作業量を削減できる。

17-4PH材質（0Cr17Ni4Cu4Nb）は、銅とニオブ／コロンビウムを含む析出強化マーテンサイト系ステンレス鋼で、高い強度、硬度、および優れた耐食性を持っています。熱処理後、製品の機械的特性はより完全になり、引張り強さは890〜1030 N／mm2に達し、製品は酸や塩に対して優れた耐食性があり、性能は2Cr13よりも優れています。

	0Cr17Ni4Cu4Nb	2cr13
剛性	277~311HB	217~269HB
引張強度	900~970mpa	690mpa
屈服強度	760~900mpa	490mpa
表3 ブレードの材料特性比較 17-4PH／2Cr13

TRTユニットの羽根の特殊な作業環境に応じて、スプレー工程が適応的に改善され、プラズマスプレー陶磁器技術がTRT羽根の表面防腐に適用されました。プラズマスプレーは、溶融材料をプラズマによって高温で溶かし、その後高速ガスによって溶融した材料粒子を部品の表面に押し付け、コーティングを形成するプロセスです。セラミックコーティングの厚さは0.35mmです。良好な空力効率と羽根の強度を確保しつつ、優れた熱衝撃抵抗性と剥離抵抗性を持っています。コーティングの表面粗さは低く、処理されたセラミックの表面粗さは0.7μmに達し、非常に滑らかです。スケール防止剤と併用すると、羽根の寿命延長効果が顕著です。多くのTRTユーザーの実践が証明している通り、このプロセスのTRT羽根には優れた耐磨耗性和耐食性があります。

上述の寿命延長技術を採用することで、ブレードのメンテナンス期間は元の寿命の1.5〜2倍に延長されると予想され、メンテナンス頻度が減少し、メンテナンスコストが削減され、停止による省エネ効果の損失も減少します。

9. 品質保証および性能基準保証

ボイラーガスタービン（TRT）の流路の最適化および変換技術が先進的で安全かつ信頼性があり、類似の応用性能を持つことを確保する；

供給部品の品質を確保し、出荷前にすべての部品に対して必要な検査と試験を行い、全体の設計および製造が関連規則の要件を満たすことを確実にする；使用される材料はすべて合格した材料であり、対応する材料品質認証書類を提供できます；

設置およびデバッグ後、提供された部品は標準で要求される安全性と信頼性に達し、通過流量の変更に関する性能目標値を満たしています：

TRT流量の最適化および改造後、両者が合意した性能評価概要に基づき、契約で規定された運転条件パラメータにおいて、TRT発電出力の増加は892kWを超えることが保証されます。

10 アフターサービス

10.1 TRT改造の現場サービス

ユーザーに効率的かつ高品質なアフターサービスを提供し、適格で経験豊富なサービスマネージャーを配置し、改装プロジェクトの実施進捗を定期的に報告し、協定に基づいて改装に必要な部品を納入し、専門の現場技術サービス担当者／チームを手配して、現場での設置、調整その他の技術サービスプロジェクトを担当させます。改装ユニットが予定通りに調整され評価された後は、1年間の保証期間内に無料の技術サービスを提供します。

10.2 長期TRT保守サービス

タービンエンジニアと専門家で構成される保守チームは通常、次のような保守サービスを提供します：

シリンダーを開けてロータを掃除する；可動翼の修理または交換；ロータハブの摩耗部分の修理；シャフト上のすべてのシール部品の交換；ジャーナルの修理、

メインシャフトのジャーナル、推力板、およびブレードルートグローブには着色探傷検査を行います。

ベアリングシリンダーの錆取り、変形検査および摩耗部品の修理；

固定ブレードの修理または交換、固定ブレードベアリングおよびその他の部品の交換；

ロータが修理された後、3000 r/minの速度で高速動バランスを行います。

動翼と静翼のクリアランスをチェックする；

現場設置に必要なシリンダーベアリングのシールストリップおよび位置決めピン；

他の顧客が必要とするTRTサービス

10.3 長期的なブレードなどの部品の供給

ブレードの生産・製造能力を持ち、ブレードの備品倉庫があります。通常のブレードは顧客の緊急ニーズに対応できます。

11. 関連付属書類

主要な加工・製造設備の一覧

装置の種類	モデル	容量	作業物の重量	数量	原産地
		XxYxZ	体重	(セット
水平加工センタ（四軸）	HM630	1000x800x850	1200	1	斗山、韓国
垂直加工センタ（五軸）	XHK800	1250 x400 x400	1000	1	中国
垂直加工センタ（五軸）	HL5001A	φ800 x320	1000	1	中国
高速垂直マシニングセンタ（四軸）	VF3SS／VF3／VF4	1016 x508 x635	800/1600	6	ハース、アメリカ
垂直マシニングセンタ（四軸）	VM1300A	1300 x650 x710	1500	2	中国
垂直マシニングセンタ（四軸）	BV100	1050 x510 x560	700	2	中国
レーザー溶接システム	RC-LCD-800W	固定式／可動式	1500／30000	1	中国
ステライト溶接／高周波焼入れシステム	GGC-80-2	1500 x500 x500	500	1	中国
ベルトサンダ研磨機	2M5430	φ200 x50	50	12	中国

数値制御工作機械群

レーザー溶接システム

ステライト溶接／高周波焼入れシステム

ロータの設置およびメンテナンス装置

研磨帯研削および研磨機群

装置タイプ	モデル	測定範囲		数量	原産地
		XxYxZ		(台湾)
座標測定機<br>	X08107	800x1000x700		1	ウェンツェ、ドイツ
50倍プロジェクター	JT36-500	200 x100 x70		1	Xintian Optoelectronics
工具測定器	E238	φ280 x380		1	ELBO, イタリア
粗さ測定器	SJ-210			1	MITU、日本
周波数試験システム	FSA-C	200-1200		1	西安交通大学
ブリネル硬度計	HB-300B			1	北京時代
非破壊検査機	CJW-2000I	0-1500		1	江蘇三盛大
スペクトラムアナライザ	WX-5			1	天津進飛
座標測定機<br> ‍			50倍プロジェクター
工具測定器			粗さ測定器
磁粉探傷機			磁粉探傷機

11.1 顧客リスト

主タービンのサプライヤー

陝西ブロワー（グループ）有限公司

成都エンジン（グループ）有限公司

南京タービンモーター（グループ）有限公司

ハルビン蒸気タービン工場有限公司

東方汽輪機有限公司

北京北汽福田汽車股份有限公司

……

最終顧客

河北鋼鉄集団有限公司

山東鋼鉄集団有限公司

江蘇沙鋼集團有限公司

連峰鋼鐵（張家港）有限公司

常州中天鋼铁集団有限公司

甘肅酒鋼集団公司

中国大唐集団公司

中国華潤電力控股有限公司

……

11.2 経験

中天鋼鐵の6番ロータ軸受鋼の分解と修理

中天鉄鋼公司の10番ロータの軸受鋼の分解と組み立てによる修理

中天鋼鉄の7番BPRTロータの分解とブレードの交換、ロータ軸受筒の修理

沙鋼グループ華盛製鉄の2番TRTロータの分解と全セットの動的・静的ブレードの交換、ロータ軸受筒のグランドレーザークラッディング

沙鋼グループ華盛製鉄の7番TRTロータの分解と全セットの動的・静的ブレードの交換

中国船舶重工集団のスライドオイルポンプ蒸気タービンの製造、組み立て、試運転

唐山瑞豊鋼鉄MPG9.7BPRTロータ軸受筒の分解とオーバーホール

沙鋼第一焦化18MW産業用蒸気タービンのロータ組み立て

山東省桓台熱電 25MW 高温高圧蒸気タービンロータの分解および組立ブレード

济南鋼鉄 3200 ベスチグ炉のTRTロータの分解および修理

長強鋼鉄タービンの最終段ロータの分解および組立

酒泉鋼鉄 3#TRT ロータの分解およびブレード交換

本溪鋼鉄の「MANタービン」TRTロータの分解および組立用ブレードの作図と製造

大唐保定熱電 8#9#125MW 蒸気タービン低圧ロータの最適化

济宁金威 50MW コンバインドサイクル蒸気タービンの最適化

北安熱電廠 50MW コンバインドサイクル蒸気タービンの最適化

虎林河発電所 100MW 蒸気タービンの再構築

連峰鋼鉄 25MW 蒸気タービンロータブレードの最適化

蓮峰鋼鉄での3#BPRTローターブレードの最適化

蓮峰鉄鋼公司での6#TRTローターブレードの最適化

蓮峰鋼鉄での4#BPRTローターブレードの最適化

蓮峰鉄鋼公司での7#TRTローターブレードの最適化

11.3 関連する写真